Synthesis, characterization and photoactivity of bi-crystalline mesoporous TiO₂

Abstract

Mesoporous titania (meso-TiO₂) has received extensive attention owing to its versatile potential applications. This paper reports a low-temperature templating approach for the fabrication of meso-TiO₂ using the peroxo titanic acid (PTA) sol as precursor and Pluronic P123 as nonionic template. The TGA, XRD, N₂ sorption, FE-SEM and HRTEM were used to characterize the obtained samples. The results showed that meso-TiO₂ with high surface area up to 163 m²·g^--1 and large pore volume of 0.65 cm³·g^--1 can be obtained. The mesopore sizes can be varied between 13 and 20 nm via this synthesis approach. The amount of P123 and the calcination conditions were found to have great influence on the mesoporous and crystalline structures of meso-TiO₂. The photocatalytic activity testing clearly shows that the high surface area and bi-crystallinity phases of meso-TiO₂ play important roles in enhancing photocatalytic properties of meso-TiO₂ in photo-decomposing Rhodamine B in water.

Keywords

surfactant templating / mesopore / bi-crystallinity / titania

References

[1] Boettcher S W, Fan J, Tsung C K, . Harnessing the sol–gel process for the assembly of non-silicate mesostructured oxide materials.  Accounts  of  Chemical  Research,  2007,  40(9):  784–792

[2] Li W, Wu Z, Wang J, . A perspective on mesoporous TiO₂ materials. Chemistry of Materials, 2014, 26(1): 287–298

[3] Zhang R, Elzatahry A A, Al-Deyab S S, . Mesoporous titania: From synthesis to application. Nano Today, 2012, 7(4): 344–366

[4] Pan J H, Dou H, Xiong Z, . Porous photocatalysts for advanced water purifications. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(22): 4512–4528

[5] Oveisi H, Suzuki N, Beitollahi A, . Aerosol-assisted fabrication of mesoporous titania spheres with crystallized anatase structures and investigation of their photocatalitic properties. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2010, 56(2): 212–218

[6] Samiee L, Beitollahi A, Vinu A. Effect of calcination atmosphere on the structure and photocatalytic properties of titania mesoporous powder. Research on Chemical Intermediates, 2012, 38(7): 1467–1482

[7] Shamaila S, Sajjad A K L, Chen F, . Mesoporous titania with high crystallinity during synthesis by dual template system as an efficient photocatalyst. Catalysis Today, 2011, 175(1): 568–575

[8] Renuka N K, Praveen A K, Aravindakshan K K. Synthesis and characterisation of mesoporous anatase TiO₂ with highly crystalline framework. Materials Letters, 2013, 91: 118–120

[9] Chang Y S, Lee Y C, Yuhara J, . Effect of water on the formation of nanostructured mesoporous titania. Current Applied Physics, 2011, 11(3): 486–491

[10] Chu S, Luo L L, Yang J C, . Low-temperature synthesis of mesoporous TiO₂ photocatalyst with self-cleaning strategy to remove organic templates. Applied Surface Science, 2012, 258(24): 9664–9667

[11] Xu J H, Dai W L, Li J X, . Novel core–shell structured mesoporous titania microspheres: Preparation, characterization and excellent photocatalytic activity in phenol abatement. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008, 195(2–3): 284–294

[12] Mohamed M M, Bayoumy W A, Khairy M, . Structural features and photocatalytic behavior of titania and titania supported vanadia synthesized by polyol functionalized materials. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 109(1–3): 445–457

[13] Dong Q, Su H L, Zhang D, . Synthesis of hierarchical mesoporous titania with interwoven networks by eggshell membrane directed sol–gel technique. Microporous and Mesoporous Materials, 2007, 98(1-3): 344–351

[14] Chen L, Yao B D, Cao Y, . Synthesis of well-ordered mesoporous titania with tunable phase content and high photoactivity. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(32): 11849–11853

[15] Tian C X, Yang Y, Pu H. Effect of calcination temperature on porous titania prepared from industrial titanyl sulfate solution. Applied Surface Science, 2011, 257(20): 8391–8395

[16] Baiju K V, Periyat P, Shajesh P, . Mesoporous gadolinium doped titania photocatalyst through an aqueous sol–gel method. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 505(1): 194–200

[17] Shibata H, Mihara H, Mukai T, . Preparation and formation mechanism of mesoporous titania particles having crystalline wall. Chemistry of Materials, 2006, 18(9): 2256–2260

[18] Tian C X, Zhang Z, Hou J, . Surfactant/co-polymer template hydrothermal synthesis of thermally stable, mesoporous TiO₂ from TiOSO₄. Materials Letters, 2008, 62(1): 77–80

[19] Shibata H, Ogura T, Mukai T, . Direct synthesis of mesoporous titania particles having a crystalline wall. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(47): 16396–16397

[20] Song H, Chen T, Sun Y, . Controlled synthesis of porous flower-like TiO₂ nanostructure with enhanced photocatalytic activity. Ceramics International, 2014, 40(7): 11015–11022

[21] Tang H, Zhang D, Tang G G, . Low temperature synthesis and photocatalytic properties of mesoporous TiO₂ nanospheres. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 591: 52–57

[22] Ge L, Xu M X. Fabrication and characterization of TiO₂ photocatalytic thin film prepared from peroxo titanic acid sol. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2007, 43(1): 1–7

[23] Lee C K, Kim D K, Lee J H, . Preparation and characterization of peroxo titanic acid solution using TiCl₃. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2004, 31(1–3): 67–72

[24] Kim G H, Lee C G, Kim I. Properties of TiO₂ film prepared from titanium tetrachloride. Metals and Materials International, 2004, 10(5): 423–427

[25] Sasirekha N, Rajesh B, Chen Y W. Synthesis of TiO₂ sol in a neutral solution using TiCl₄ as a precursor and H₂O₂ as an oxidizing agent. Thin Solid Films, 2009, 518(1): 43–48

[26] Liu Y J, Aizawa M, Wang Z M, . Comparative examination of titania nanocrystals synthesized by peroxo titanic acid approach from different precursors. Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 322(2): 497–504

[27] Zakharova G S, Andreikov E I. Effect of the precursor heat treatment procedure on the properties of titania photocatalysts. Inorganic Materials, 2012, 48(7): 727–731

[28] Wang W, Nguyen D T, Long H B, . High temperature and water-based evaporation-induced self-assembly approach for facile and rapid synthesis of nanocrystalline mesoporous TiO₂. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(38): 15912–15920

[29] Wan Y, Zhao D. On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates. Chemical Reviews, 2007, 107(7): 2821–2860

[30] Wan Y, Shi Y, Zhao D. Designed synthesis of mesoporous solids via nonionic-surfactant-templating approach. Chemical Communications, 2007, (9): 897–926

[31] Wang W, Qi H, Long H, . A simple ternary non-ionic templating system for preparation of complex hierarchically meso-mesoporous silicas with 3D interconnected large mesopores. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(15): 5363–5370

[32] Wang W, Shan W J, Ru H Q, . Short-time synthesis of SBA-15s with large mesopores via partitioned cooperative self-assembly process based on sodium silicate. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2012, 64(1): 200–208

[33] Zhang H, Banfield J F. Understanding polymorphic phase transformation behavior during growth of nanocrystalline aggregates: Insights from TiO₂. The Journal of Physical Chemistry B, 2000, 104(15): 3481–3487

[34] Wanka G, Hoffmann H, Ulbricht W. Phase diagrams and aggregation behavior of poly(oxyethylene)-poly(oxypropylene)-poly(oxyethylene) triblock copolymers in aqueous solutions. Macromolecules, 1994, 27(15): 4145–4159

[35] Yamada S, Wang Z, Mouri E, . Crystallization of titania ultra-fine particles from peroxotitanic acid in aqueous solution in the present of polymer and incorporation into poly(methyl methacylate) via dispersion in organic solvent. Colloid & Polymer Science, 2009, 287(2): 139–146

[36] Bacsa R R, Kiwi J. Effect of rutile phase on the photocatalytic properties of nanocrystalline titania during the degradation of p-coumaric acid. Applied Catalysis B: Environmental, 1998, 16(1): 19–29

[37] Bakardjieva S, Šubrt J, Štengl V, . Photoactivity of anatase-rutile TiO₂ nanocrystalline mixtures obtained by heat treatment of homogeneously precipitated anatase. Applied Catalysis B: Environmental, 2005, 58(3–4): 193–202

[38] Ohno T, Tokieda K, Higashida S, . Synergism between rutile and anatase TiO₂ particles in photocatalytic oxidation of naphthalene. Applied Catalysis A, 2003, 244(2): 383–391

[39] Yan M, Chen F, Zhang J, . Preparation of controllable crystalline titania and study on the photocatalytic properties. The Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109(18): 8673–8678

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21201030, 21471026 and 51272039), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (N141005001, L1502020 and N130810003) and the Liaoning Province Innovation Funds (Grant No. 2014020030).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg